(57)【要約】【課題】  光を透過するマスクがパターンニングされた基板について、簡易に精度よく段差を測定する段差測定装置および段差測定方法を提供する。【解決手段】  光を透過するマスク２ａがパターンニングされた基板２をマスク２ａと同等の屈折率を有する液に浸漬し、基板２のマスク２ａがパターニングされた側に光５０を照射し、基板２からの反射光５２を検知し、検知した反射光５２から基板２のマスク２ａがパターニングされた側の段差を算出するようにした。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過するマスクがパターンニングされた基板を前記マスクと同等の屈折率を有する液に浸漬し、前記基板のマスクがパターニングされた側に光を照射し、前記基板からの反射光を検知し、検知した反射光から前記基板のマスクがパターニングされた側の段差を算出することを特徴とする段差測定方法。
【請求項２】
前記基板は水平に対して傾斜して置かれていることを特徴とする請求項１記載の段差測定方法。
【請求項３】
光を透過するマスクがパターンニングされた基板の段差を変化させる工程を備える半導体デバイスの製造方法において、
前記基板を前記マスクと同等の屈折率を有する液に浸漬し、前記基板のマスクがパターニングされた側に光を照射し、前記基板からの反射光を検知し、検知した反射光から前記基板のマスクがパターニングされた側の段差を算出することによって、前記基板の段差を変化させる工程を制御することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記基板の段差を変化させる工程はエッチング工程であり、前記基板を前記マスクと同等の屈折率を有するエッチング液に浸漬し、前記基板のマスクがパターニングされていない箇所のエッチング深さをエッチング工程中に測定することによって、当該エッチング工程を制御することを特徴とする請求項３記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記基板の段差を変化させる工程はめっき工程であり、前記基板を前記マスクと同等の屈折率を有するめっき液に浸漬し、前記基板のマスクがパターニングされていない箇所のめっき膜厚をめっき工程中に測定することによって、当該めっき工程を制御することを特徴とする請求項３記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
光を透過するマスクがパターンニングされた基板を前記マスクと同等の屈折率を有する液に浸漬できる槽と、前記基板のマスクがパターニングされた側に光を照射する光照射手段と、前記基板からの反射光を検知する反射光検知手段と、前記光照射手段または前記反射光検知手段の少なくとも一方と前記槽との角度を調整できる角度調整手段と、検知した反射光から前記基板のマスクがパターニングされた側の段差を算出する段差算出手段とを備えたことを特徴とする段差測定装置。
【請求項７】
前記槽は前記基板を水平に対して傾斜して置くように構成され、前記段差算出手段は反射光の干渉による強度変化から段差を算出することを特徴とする請求項６記載の段差測定装置。
【請求項８】
前記角度調整手段は、前記槽に注入される液の屈折率あるいは前記槽内における液面の高さに応じて前記光照射手段から液面への光の入射角を変更するように、前記光照射手段と前記槽との角度を調整できることを特徴とする請求項６記載の段差測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接触式の光学的手法によって形状を測定する技術分野に属するものであり、とくに微細な段差の測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス等の製造プロセスにおいて、基板上にレジスト等によりマスクをパターニングし、マスクされていない部分をエッチングする工程が一般的に用いられている。また、マスクされていない部分に選択的にめっき等で成膜する工程も一般的に用いられている。これらの工程において、基板表面の段差を測定し、エッチング深さまたは膜厚を求めている。
【０００３】
従来、このような測定には光干渉法が用いられる。ここで、マスクとして、ノボラック系やＰＭＭＡ系などの有機レジストやパターニングした酸化珪素膜や窒化珪素膜など、光を透過する材料が用いられる。この場合、基板からの反射光は、マスク表面、マスク表面を透過した部分及びマスクされていない部分からの３つの反射光が干渉したものとなる。
【０００４】
マスク表面からの反射光があると、基板からの反射光として強度変化に歪みが生じ、正確な段差測定ができない。これに対して、マスクの厚さ、基板とマスクのエッチング選択比等が反射強度に与える影響を予めデータベースとして作成しておき、エッチング開始前におけるマスクの膜厚を測定し、膜厚と前記データベースをもとに反射光の強度測定結果を補正している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９９６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術では、予め大量のデータベースを作成するなど、測定方法が煩雑である。さらに、例えばエッチング雰囲気に酸素が混入して基板とマスクのエッチング選択比が変化したりすると、反射光の強度の補正が適切ではなくなり、段差の測定精度が低下するという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易に精度よく段差を測定する段差測定方法および段差測定装置を提供する。さらに、これを利用することによって歩留まり向上を図った半導体デバイスの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明における段差測定方法は、光を透過するマスクがパターンニングされた基板をマスクと同等の屈折率を有する液に浸漬し、基板のマスクがパターニングされた側に光を照射し、基板からの反射光を検知し、検知した反射光から基板のマスクがパターニングされた側の段差を算出するものである。
【０００９】
また、この発明における段差測定装置は、光を透過するマスクがパターンニングされた基板をマスクと同等の屈折率を有する液に浸漬できる槽と、基板のマスクがパターニングされた側に光を照射する光照射手段と、基板からの反射光を検知する反射光検知手段と、光照射手段または反射光検知手段の少なくとも一方と槽との角度を調整できる角度調整手段と、検知した反射光から基板のマスクがパターニングされた側の段差を算出する段差算出手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、簡易に精度よく段差を測定する段差測定方法および段差測定装置を提供できる。さらに、これを利用することによって歩留まり向上を図った半導体デバイスの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を説明するためのエッチング工程の模式図である。エッチング槽１にはエッチング液が入っており、基板２がエッチング液に浸漬されている。基板２として例えばＧａＡｓ基板は、ノボラック樹脂をベースとしたレジストでマスク２ａがパターニングされている。ここで、ノボラック樹脂系レジストは光を透過することができ、屈折率は１．４９である。エッチング液は、酒石酸、過酸化水素および水の混合溶液である。濃度５０％の酒石酸の屈折率は１．５１、濃度３０％の過酸化水素水の屈折率は１．４１、水の屈折率は１．３３であるから、これらを適度な比率で加えることによってノボラック樹脂系レジストの屈折率１．４９に一致させることができる。このとき、薬液の混合比率は１通りではなく、酒石酸と過酸化水素の混合はエッチング速度などから適宜設定される。
【００１２】
このエッチング工程では、基板２のマスク２ａがパターニングされていない箇所がエッチングされる。一方、マスク２ａがパターニングされた箇所はエッチングされないため、基板２の表面には段差が生じる。エッチングが進行するにつれて段差は大きくなる。例えばＧａＡｓ基板は、半導体レーザや高周波素子といった半導体デバイスの製造に用いられる。半導体レーザや高周波素子の構成要素のなかには、サイズが変化すると当該半導体レーザや当該高周波素子の特性に影響する重要な部位がある。半導体レーザでは、光導波路の幅が変わるとビームの拡がり角が変化する。また、光導波路へ電流を流すための導電部となるコンタクト層の形状が変わると最大照射レーザパワーが変化する。高周波素子では、ゲート電極の形状により特性が大きく変化する。これらの部位を形成するには、エッチング工程が必要であり、エッチング深さが変化するとその構成要素のサイズが変化するから、半導体レーザや高周波素子の特性に影響する。そのため、エッチング工程中に表面段差からエッチング深さを測定し、その測定結果を基にエッチング工程を管理することにより、このような半導体デバイスにおける構成要素のサイズのばらつきを低減して歩留まりを向上させることが望まれる。
【００１３】
エッチング工程中に、基板２のエッチング深さを測定するには非接触の光学的手法が適している。この実施の形態では、図１に示した光干渉法による測定について説明する。エッチング槽１に液浸された基板２のマスク２ａがパターニングされた側に、光源３から発生された光を照射する。光は空気とエッチング液との境界で屈折して基板２に到達し、基板２の表面で反射する。エッチング液とマスク２ａの屈折率は同等であるから、光はエッチング液とマスク２ａとの境界でなんら影響を受けない。基板２からの反射光は、エッチング液と空気との境界を通過して検知器４に到達し、検知器４によって反射強度が検知される。このとき、基板２の表面にはエッチングされた凹部とマスク２ａに保護された凸部とからなる段差があるため、凹部と凸部とからの反射光が干渉する。すなわち、凹部からの反射光と凸からの反射光の位相が一致した波長において強め合い、位相が反転した波長において弱め合う。検知された反射強度の波長周期から、計算機５によって基板２の段差を算出する。この実施の形態では段差がエッチング深さである。
【００１４】
ここで、エッチング槽１は角度調整器６によって傾斜角θで傾斜している。すなわち、エッチング槽１の底面に置かれた基板２が水平に対して傾斜角θで傾斜するようになっている。角度調整器６は、マスク２ａ及びエッチング液の屈折率ｎやエッチング液の液面高さに応じて、光源３からの光が基板２に反射し、検知器４によって反射光が検知されるように、検知器４とエッチング槽１の底面との角度を調整できるものである。なお、検知器４とエッチング槽１の底面との角度を相対的に調整できるものであれば、検知器４に角度調整手段を取り付けてもよい。
【００１５】
また、光源３からの入射光５０は、液面に垂直すなわち入射角０°で入射する。ここで、一部の光は液面において、液面からの反射光５１として図示破線矢印のように液面と垂直方向に反射する。一方、基板２に到達した光は、基板２の表面において入射角θで入射し、基板２の表面の法線に対して反対側に反射角θで反射する。さらに、基板２からの反射光５２は、エッチング液と空気との境界に入射角φ１＝２θで入射し、屈折角φ２＝ｓｉｎ−１（ｎ・ｓｉｎ（２θ））で屈折する。すなわち、検知すべき反射光５２と外乱となる反射光５１とは、大きく進路がずれる。検知器４は、基板２からの反射光５２を検知する位置に設けられており、液面からの反射光５１を検知することはない。よって、基板２からの反射光５２と液面からの反射光５１とが干渉することを防止でき、基板２の段差を精度よく測定することができる。このとき、エッチング中にマスク２ａの膜厚が変化しても段差測定にはほとんど影響しないから、マスク２ａの膜厚を予め測定したり、マスク２ａと基板２のエッチング選択比を求めたり、あるいはこれらに関するデータベースを作成して測定値を補正したりするなどの煩雑な作業が不要になる。
【００１６】
したがって、この実施の形態では、基板２をマスク２ａと同等の屈折率ｎのエッチング液に浸漬することにより、マスク２ａからの反射光をほとんど消失させることができる。さらに、エッチング槽１を傾斜することによって、液面からの反射光と基板２からの反射光とが干渉することを防止できる。そのため、簡易に精度よくエッチング深さを測定でき、さらに、これを利用した半導体デバイスの製造方法において、エッチング工程を高精度に制御でき、歩留まりが向上する。とくにこの光干渉法では、光の波長程度の微細な段差を精度よく測定できる。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２を説明するためのエッチング工程の模式図である。この実施の形態は、実施の形態１における光源からの光のエッチング液面に対する入射角を斜めに変更し、空気とエッチング液との境界において屈折した光が、基板２に対して垂直に入射するものである。
【００１８】
エッチング槽１は角度調整器６によって傾斜角θで傾斜しており、エッチング槽１の底面に置かれた基板２も水平に対して傾斜角θで傾斜している。光源３からの光はハーフミラーで反射し、入射光５０としてエッチング液の液面に入射角φで入射する。ここで、一部の光は液面において、液面からの反射光５１として図示破線矢印のように反射角φで反射する。一方、空気とエッチング液との境界で屈折してエッチング液に進入した光は、基板２に垂直に入射する。このとき、エッチング液の屈折率ｎに応じて、光が基板２に垂直に入射するように、角度調整器６によってエッチング槽１の傾斜角θを調整すればよい。ここで、エッチング槽１の傾斜角θと、入射光５０の液面への入射角φと、エッチング液の屈折率ｎとの関係は、ｎ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎφとなる。
【００１９】
基板２に入射した光は、基板２から垂直に反射する。さらに基板２からの反射光５２は、エッチング液と空気との境界において屈折角φで屈折し、ハーフミラー７を通過する。検知器４は、基板２からの反射光５２を検知する位置に設けられており、液面からの反射光５１を検知することはない。よって、基板２からの反射光５２と液面からの反射光５１とが干渉することを防止でき、基板２の段差を精度よく測定することができる。さらに、これを利用した半導体デバイスの製造方法において、エッチング工程を高精度に制御でき、歩留まりが向上する。このように、実施の形態２でも実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２０】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３を説明するためのエッチング工程の模式図である。この実施の形態は、エッチング槽１を傾斜することなく、光源からの光のエッチング液面に対する入射角を斜めにしたものである。
【００２１】
エッチング槽１の底面に基板２が水平に置かれている。光源３からの入射光５０は、エッチング液の液面に入射角ψ１で入射する。ここで、一部の光は液面において、液面からの反射光５１として図示破線矢印のように反射角ψ１で反射する。一方、空気とエッチング液との境界で屈折してエッチング液に進入した光は、基板２に入射角ψ２で入射する。このとき、エッチング液の屈折率ｎを用いて、ｓｉｎψ１＝ｎ・ｓｉｎψ２の関係が成り立つ。
【００２２】
基板２に入射した光は、基板２から反射角ψ２で反射する。さらに基板２からの反射光５２は、エッチング液と空気との境界において屈折角ψ１で屈折する。検知器４は、基板２からの反射光５２を検知する位置に設けられている。ここで、エッチング液の屈折率ｎや液面高さＨに応じて、入射光５０の入射角ψ１や入射位置を調整できるように、スライド可能な角度調整器８を設けるとよい。同様に、検知器４にもスライド可能な角度調整器８を設けるとよい。エッチング液の屈折率ｎが高いほど、光は空気とエッチング液との境界で大きく屈折する。この場合、入射光５０の液面への入射位置と反射光５２の液面からの出射位置との距離ｄは小さくなる傾向がある。また、液面高さＨが浅いほど距離ｄは小さくなる傾向がある。距離ｄが小さいと、基板２からの反射光と液面からの反射光とが近接し、検知器４の位置においてこれらが干渉してしまうおそれがある。
【００２３】
そこで、入射光５０の入射角ψ１を大きくするように、角度調整器８で光源３の角度を調整して、液面への距離ｄを大きくすることが望ましい。入射角ψ１の変化に伴なって、反射光５２の液から空気への屈折角ψ１も変化するのはいうまでもなく、検知器４の角度も同様に調整する。このとき、検知器４によって基板２からの反射光５２を正確に検知できるように、光源３と検知器４の両方もしくは一方の位置を、角度調整器８の図示左右方向へのスライドによって調整するのが望ましい。
【００２４】
これにより、基板２からの反射光と液面からの反射光との干渉を防止する効果が高まる。さらに、これを利用した半導体デバイスの製造方法において、エッチング工程を高精度に制御でき、歩留まりが向上する。このように、実施の形態３でも実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００２５】
実施の形態４．
図４は、実施の形態４を説明するためのエッチング工程の模式図である。この実施の形態は、光干渉法ではなく、光学顕微鏡を用いた焦点位置検出法によって段差を測定するものである。
【００２６】
図４において、エッチング槽１にはエッチング液が入っており、基板２がエッチング液に浸漬されている。基板２にパターニングされたマスク２ａとエッチング液との屈折率ｎは同等である。光源３からの入射光は、ハーフミラー７、対物レンズ９を介して集光しながらエッチング液面に達し、空気とエッチング液との境界で屈折して基板２に到達する。基板２からの反射光は、対物レンズ９、ハーフミラー７を介してオートフォーカスセンサー１０に到達する。オートフォーカスセンサー１０は、基板２の表面における焦点のずれをでとらえる。光学顕微鏡は、焦点のずれ量に応じて対物レンズ９の位置を制御することにより、常に測定点に焦点が合っている状態にする。ここで、基板２または対物レンズ９を水平方向に移動させると、基板２の凹凸に追随して対物レンズ９が上下移動する。この対物レンズ９の上下の移動量から、基板２の段差を測定できる。なお、焦点が合っているかどうかは、基板２からの反射光がハーフミラー７、接眼レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２に到達するので、モニター観察できる。
【００２７】
図５は、対物レンズ９の移動量から段差を求める原理を説明するための模式図である。空気の屈折率を１、エッチング液の屈折率をｎとする。基板２の段差をａ、マスク厚をｂとする。対物レンズ９が凹部に焦点を結んでいる場合（左側）とマスク２ａに保護された凸部に焦点を結んでいる場合（右側）を示す。凹部に焦点を結んでいる場合の対物レンズ９と凹部までの光学距離をＬ１とする。また、マスク２ａに保護された凸部に焦点を結んでいる場合の対物レンズ９と凸部までの光学距離をＬ２とする。ここで、焦点位置では光学距離が等しいことは自明であるから、光学距離としてＬ１＝Ｌ２の関係が成り立つ。
【００２８】
マスク２ａに保護された凸部に焦点を結んでいる場合、対物レンズ９の中心からエッチング液面までの実距離をｃ１、エッチング液面からマスクまでの実距離をｃ２とする。また、凹部に焦点を結んでいる場合とマスク２ａに保護された凸部に焦点を結んでいる場合とにおける対物レンズ９の上下方向への移動距離をｅとする。凹部に焦点を結んでいる場合、凹部から液面までの実距離ｆおよび液面から対物レンズ９の中心までの実距離ｇは下式のようになる。
ｆ＝ａ＋ｂ＋ｃ２
ｇ＝ｃ１−ｅ
【００２９】
これより、光学距離Ｌ１および光学距離Ｌ２は下式のようになる。
Ｌ１＝ｇ＋ｎｆ
＝ｃ１−ｅ＋ｎ（ａ＋ｂ＋ｃ２）
Ｌ２＝ｃ１＋ｎ（ｃ２＋ｂ）
前述のとおり光学距離Ｌ１と光学距離Ｌ２は等しいから、段差ａは下式のようになる。
ａ＝ｅ／ｎ
【００３０】
つまり、対物レンズ９の移動量をエッチング液の屈折率ｎで除することにより、段差が求められる。このとき、マスク２ａからの反射は、エッチング液の存在によりほとんど消失する。また、通常は十分な量のエッチング液があるため、距離ｃ２は、段差ａやマスク厚ｂより十分に大きい。よって、エッチング液面と基板２とでは焦点位置が全く異なり、エッチング液面からの反射光が基板２の焦点位置の測定に影響することはない。
【００３１】
ちなみに、エッチング液がない場合、マスク２ａの屈折率に起因する誤差と、マスク２ａ表面からの反射光が外乱となる誤差が重なり、測定精度が低下する。マスク２ａの屈折率ｎに起因する誤差とは、次のようなものである。段差ａは、対物レンズ９の移動距離ｅとマスク２ａの厚さｂとの関数として、下式のように表現される。
ａ＝ｅ＋（ｎ−１）ｂ
すなわち、段差ａを求めるには、マスク２ａの厚さｂを求めておく必要があり、この厚さｂが変化すると、段差ａの測定誤差となる。
【００３２】
また、マスク２ａ表面からの反射光が外乱となる誤差とは、以下のように発生する。例えば、ノボラック樹脂系レジストの反射率は、ＧａＡｓの反射率の１／１０程度である。そのため、レジストに保護されたＧａＡｓ基板の凸部に焦点を結ばせようとした場合、オートフォーカスセンサー１０から出力される信号として、ＧａＡｓ基板からの反射光に基づく信号に加え、レジストからの反射光に基づく信号が外乱として重なる。この外乱信号を分離することは困難であり、レジスト膜厚に屈折率を乗じた値の約１０％ずれた位置に焦点を結んでしまう。エッチング工程において、このような誤差が重なると、エッチング深さを誤差５％以内とするような高精度制御は実質的に困難となる。
【００３３】
したがって、この実施の形態でも、基板２をマスク２ａと同等の屈折率のエッチング液に浸漬することにより、マスク２ａからの反射光をほとんど消失させることができる。さらに、液面からの反射光と基板２からの反射光とが干渉することを防止できる。そのため、簡易に精度よくエッチング深さを測定できる。さらに、これを利用した半導体デバイスの製造方法において、エッチング工程を高精度に制御でき、歩留まりが向上する。とくにこの焦点位置検出法は、光干渉法のような干渉周期の制約がないことから、段差が例えば５〜１０μｍ以上と大きくても測定できる。
【００３４】
実施の形態５．
図６は、実施の形態５を説明するためのめっき工程の模式図である。この実施の形態は、実施の形態１におけるエッチング工程をめっき工程に変更したものである。エッチング槽１には、基板２のマスク２ａと同等の屈折率のめっき液が入っており、基板２がめっき液に浸漬されている。めっき液としては、例えばノンシアン系の金めっき液（エヌイーケムキャト製ＥＣＦ−６９−Ｓ）を用い、純水で薄めて屈折率を調整できる。
【００３５】
このめっき工程では、基板２のマスク２ａがパターニングされていない箇所に金めっき膜２ｂが形成される。一方、マスク２ａ上にはめっきされない。そのため、基板２の表面には、マスクに保護された凹部と金めっき膜２ｂが形成された凸部とからなる段差が生じる。この実施の形態では、実施の形態１と同様にして段差を測定し、その段差の変化から金めっき膜厚を求めることができる。このようにめっき工程においても、簡易に精度よくめっき膜厚を測定できる。さらに、これを利用した半導体デバイスの製造方法において、めき工程を高精度に制御でき、歩留まりが向上する。
【００３６】
なお、実施の形態２〜４についてエッチング工程をめっき工程に変更し、めっき膜厚を測定できることはいうまでもない。また、振動によってエッチング液等が揺らぐことが問題の場合には、例えばエッチング液等と同等の屈折率を有するガラス板やプラスチック板で液面を覆って揺らぎを抑制してもよい。さらに、エッチング工程やめっき工程に限らずに、例えば検査工程において、マスクと同等の屈折率を有する検査液に基板２を浸漬することは適宜実施できる。このときの検査液としては、屈折率１．７５のジヨードメタンに屈折率１．３６のエタノールを添加することで、１．３６〜１．７５までの任意の屈折率を有する検査液を作成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
この発明は、とくに半導体デバイスの製造プロセスにおける液浸工程中の段差測定に適しているが、表面形状の測定に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施の形態１を説明するためのエッチング工程の模式図である。
【図２】実施の形態２を説明するためのエッチング工程の模式図である。
【図３】実施の形態３を説明するためのエッチング工程の模式図である。
【図４】実施の形態４を説明するためのエッチング工程の模式図である。
【図５】実施の形態４の理論を説明するための模式図である。
【図６】実施の形態５を説明するためのめっき工程の模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  槽、２  基板、２ａ  マスク、２ｂ  めっき膜、３  光源、４  検知器、５  計算機、６  角度調整器、７  ハーフミラー、８  角度調整器、９  対物レンズ、１０  オートフォーカスセンサー、１１  接眼レンズ、１２  ＣＣＤカメラ、５０  入射光、５１  反射光、５２  反射光。
【図１】
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【図２】
2005147877.tif 000004
【図３】
2005147877.tif 000005
【図４】
2005147877.tif 000006
【図５】
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【図６】
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